CN105051859A - 通过透射穿过衬底的中红外激光的热加工 - Google Patents
通过透射穿过衬底的中红外激光的热加工 Download PDFInfo
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Abstract
通过中红外激光穿过衬底的透射来执行热加工，所述衬底例如具有有限中红外透射范围的半导体衬底。激光由稀土掺杂的光纤激光器产生，并且引导穿过衬底，使得透射的功率能够改变位于衬底背侧区域的目标材料，所述位于衬底背侧区域例如在衬底上或与衬底分隔开。衬底可以足够透明，以允许透射的中红外激光在不改变衬底材料的情况下改变目标材料。在一个示例中，稀土掺杂的光纤激光器是高平均功率铥光纤激光器，所述激光器按照连续波(CW)模式并且在2μm光谱区中操作。
Description
技术领域
本发明涉及使用激光的热加工，更具体地涉及通过透射穿过衬底的中红外激光的热加工。
背景技术
激光已经用于执行各种材料加工以通过某种方式来改变材料，例如烧蚀、熔化和退火。具体地，在材料蒸发、液化或改变其状态或结构之前，材料可以通过吸收激光能量来加热。激光热加工已经用于半导体制造以针对各种应用来切削、分离、结合、处理半导体材料，所述应用例如LED、激光二极管和其它半导体器件的制造。由于这些器件的小尺寸、所需要的精度以及所使用的半导体材料的性质，这样的应用通常存在挑战。
例如，在半导体制造应用期间向热加工材料提供足够的激光能量的一种方式是在将要加工的材料处使用直接的视线来引导激光。然而，在一些情况下，直接的视线可能是不可行的，或者可以导致更复杂且昂贵的制造过程。试图透射激光穿过特定类型的半导体衬底(例如硅)以加工衬底背侧上的材料已经失败，因为通过半导体材料透射的光谱范围内的激光不能够透射足以实现热加工的功率。使用传统方法的这种背侧加工已经稀土掺杂具有大透射范围和/或超短脉冲的特定类型的高透射率材料。
因此，需要通过激光穿过透射率较小的半导体材料(例如硅)的透射的热加工方法。
发明内容
根据一个实施例，提供了一种通过中红外激光透射的热加工方法。所述方法包括：从稀土掺杂光纤激光器产生光谱范围是1300到5000nm的激光；以及引导激光穿过半导体衬底，所述半导体衬底对于光谱范围是1300到5000nm的激光是足够透明的，使得透射过半导体衬底的激光具有能够改变位于半导体衬底背侧区域的目标材料的透射功率。
根据另一个实施例，一种通过中红外激光透射的热加工方法包括：从铥光纤激光器产生在2μm光谱区的连续波(CW)激光；以及引导激光穿过衬底，所述衬底对于2μm光谱区的激光是足够透明的，使得透射过衬底透射的激光具有能够在不改变衬底材料的情况下改变位于衬底背侧区域的目标材料的透射功率。
附图说明
结合附图，通过阅读以下详细描述将会更好的理解这些以及其它特征和优点，其中：
图1是根据本公开实施例的背侧激光热加工系统的示意图。
图2是根据本公开另一个实施例的背侧激光热加工系统示意图。
图3是根据本公开实施例的通过透射穿过砷化镓晶片的中红外激光在目标锗晶片中形成的划线的图像。
具体实施方式
根据本公开的实施例，热加工是通过透射穿过衬底(例如具有有限的中红外透射范围的半导体衬底)的中红外激光来执行的。激光由稀土掺杂的光纤激光器产生，并且引导穿过衬底，使得透射的功率能够改变位于衬底背侧区域的目标材料，所述位于衬底背侧例如在衬底上或与衬底间隔开。衬底可以是足够透明的，以允许透射的中红外激光在不改变衬底材料的情况下改变目标材料。在一个示例中，稀土掺杂的光纤激光器是高平均功率铥光纤激光器，所述激光器以连续波(CW)模式操作，并且在2μm光谱区中操作。
如本文中使用的，“中红外”是指光谱范围是1300nm到5000nm，并且“中红外激光”指的是由波长在所述光谱范围内的激光器生成的的光。“有限的中红外透射范围”是指一种材料透射激光的能力，所述材料针对至少一部分中红外范围具有高于40％的透射率，但是针对至少一部分波长低于1200nm的红外波长具有低于10％的透射率。具有有限的中红外透射范围的半导体材料示例包括但不限于：硅(Si)和砷化镓(GaAs)。如本文中使用的，“2μm光谱区”是指范围在1900与2050nm之间的中红外线光谱范围的一部分。如本文中使用的，“改变材料”是指转换或改变材料的性质或特性，并且包括但不限于：烧蚀、退火(包括从固态相到再熔化的重结晶的所有类型)、熔化、固化和软化，并且“热加工”是指使用在材料中从激光能量吸收的热量以改变材料。
通过透射穿过半导体衬底的中红外激光的热加工可以用于广泛的应用范围，例如在发光二极管、激光二极管和其他半导体器件的制造中。一个应用包括当对目标衬底的直接视线不能实现时，对半导体衬底的背侧区域上的目标衬底进行划线或切削。另一个应用包括结合到半导体衬底的背侧区域，所述结合是通过将激光透射穿过半导体衬底以对在衬底背侧上沉积的结合材料进行热加工来实现的。另一个应用包括用于将一个或多个半导体层从半导体衬底分离的激光剥离(LLO)，所述激光剥离是通过将激光透射穿过半导体衬底到达衬底与层之间的界面来实现的。另一个应用包括用于将膜或层从半导体衬底转移到另一个衬底的激光转移沉积，所述激光转移沉积通过将激光透射穿过半导体衬底来实现。也可以以实现其它应用。
参照图1和图2，根据本公开的实施例的背侧激光热加工系统100、100’大体上包括产生中红外激光102的稀土掺杂的光纤激光器110。背侧激光热加工系统100、100’还包括光束传输系统120，所述光束传输系统引导中红外激光102通过半导体衬底130，使得至少一部分中红外激光(即透射的中红外激光106)到达衬底130的背侧区域132。中红外激光102具有输入功率，并且半导体衬底130对于中红外激光102是足够透明的，使得透射的中红外激光106具有能够改变位于衬底130背侧区域132的目标材料的透射功率。
半导体衬底130可以包括具有有限的中红外透射范围的半导体材料，例如Si晶片或GaAs晶片。本文中描述的方法还可以与其他材料一起使用，所述其它材料(包括例如蓝宝石)允许中红外激光的透射。目标材料140可以是半导体材料，或者是能够通过透射的激光106热加工的任何其它材料，包括但不限于聚合材料。尽管示出的目标材料140具有与半导体衬底130相比相对较小的大小，但是目标材料140可以是与半导体衬底130相同的大小或大于半导体衬底130。另外，目标材料140可以包括相同或不同类型材料的多个不同层或段。
如图1所示，目标材料140可以直接涂覆或沉积在半导体衬底130上。目标材料140可以包括例如沉积在半导体衬底130上的结合材料，用于在激光对其加热并软化之后在半导体衬底130与其它结构(未示出)之间结合。目标材料140还可以包括一个或多个沉积在半导体衬底130上的半导体材料附加层，所述附加层可以穿过衬底130来切削或者与衬底130分离(例如通过烧蚀目标材料140和衬底130的界面)。
如图2所示，目标材料140还可以从半导体衬底130上间隔开。当目标材料140与半导体衬底130间隔开时，目标材料140在足够近的距离内以执行期望的热加工。与半导体衬底130间隔开的目标材料140可以是例如在半导体设备封装中的另一个衬底、对象、器件或器件的一部分。
尽管本文描述的方法能够在不改变半导体衬底130的情况下改变目标材料，但是可以对中红外激光102聚焦，使得当激光透射穿过衬底时，激光改变半导体衬底130的一部分。例如，中红外激光102可以烧蚀半导体衬底130的前侧表面，然后可以透射穿过半导体衬底130以对在背侧上的目标材料140进行加工。在其它实施例中，中红外激光102可以加工在半导体衬底130的前侧(未示出)和背侧的层，例如通过对前侧层进行划线，透射穿过衬底130并且然后对背侧层进行划线。
在一些实施例中，稀土掺杂的光纤激光器10可以包括在2μm光谱区中操作的高平均功率铥光纤激光器(例如120瓦1940nm铥光纤激光器)。也可以使用其它类型的稀土掺杂的光纤激光器110，例如能够产生中红外激光的掺杂铒的光纤激光器(例如1540nm铒掺杂光纤激光器)。能够在2μm光谱区中产生高达120W的平均功率并且能够在1.5μm光谱区中产生高达500W的平均功率的激光器是商业可用的。
稀土掺杂的光纤激光器110可以产生连续波(CW)激光、时间调制CW激光或脉冲激光。甚至当使用CW中红外激光时或当使用具有大于1纳秒的较长脉冲的脉冲或时间调制CW激光时，稀土掺杂的光纤激光器110(例如高平均功率铥光纤激光器)产生用于热加工的足够的功率。因此，本文中描述的方法提供了优于其它的需要更短波长和/或更短脉冲以获得足够功率来透射穿过衬底进行热加工的方法。
可以使用的一种类型的铥激光器是针对在2μm光谱区中操作的波长的高功率单模光纤激光其系统，例如在国际公开号为WO/2012/150935的专利中更详细描述的的类型，该专利以引用的方式完全并入本文。该类型的高功率光纤激光其系统配置有级联泵和级联激光器。所述级联泵包括光纤放大器，所述光纤放大器提供有掺杂有稀土元素离子的多模式(MM)纤芯，所述稀土元素包括铒(Er)或镱/铒(Yb/Er)，并且所述光纤放大器具有双瓶颈形状的横截面。所述级联激光器具有光纤激光器，所述光纤激光器配置有掺杂铥(Tm)离子的纤芯。双瓶颈形状的光纤放大器将泵浦光耦合到Tm光纤激光器的上游端。其它稀土掺杂的光纤激光器也可以用于产生在1300到5000nm光谱范围内的波长的中红外激光。
光束传输系统120可以包括用于将激光改变和/或引导到期望位置的光学器件。这样的光学器件可以包括但不限于：会聚透镜、扩束器、光束准直器、光束整形透镜、反射器、掩模、分束器和扫描器(例如检流计)。光束传输系统120可以引导激光102的固定光束透射通过衬底130，或者可以例如使用检流计或其它扫描器来扫描激光102的光束横穿衬底。光束传输系统120还可以将具有宽范围的尺寸和束斑形状的激光光束102传输到目标材料140上。可以对束斑尺寸和/或形状进行配置或调整以在目标材料140上产生不同影响的范围。光束大小可以包括针对较大区域热加工的较大尺寸(例如直径为5mm或更大)，或者包括在半导体晶片背侧用于局部加工的瞄准较小区域的较小聚集的光束(例如小于100)。
如图1所示，光束传输系统120可以引导激光102的准直光束透射通过半导体衬底130。在其它实施例中，如图2所示，例如光束传输系统120可以包括一个或多个聚焦透镜，用来聚焦激光102的光束并引导激光的聚焦的会聚光束透射通过半导体衬底130。激光102的(例如准直的或发散)光束还通过半导体衬底130折射，并且可以根据半导体材料的晶向进行改变。因此，当将激光102向衬底130引导用于透射至目标财力140时，光束传输系统120可以导致任何透射的激光106中的改变。
波束传输系统120还可以例如使用掩模或光束整形光学器件对光束进行整形。光束传输系统120的一个示例可以包括用于产生聚集束斑的光束整形光学器件，例如美国专利No.7,388,172中详细公开的类型，该专利以引用的方式完全并入本文。光束传输系统120的其它示例可以包括用于构图的激光剥离(LLO)的光束整形光学器件，例如美国专利No.7,846,847和美国专利申请公开号No.2011/0132549中详细公开的类型，该专利以引用的方式完全并入本文。
在其它实施例中，背侧激光加工系统100、100’还可以包括用于支撑和移动衬底的工件支撑件和台架(未示出)。所述工件支撑件和台架可以移动衬底130例如以对在衬底130背侧区域132上的目标材料140进行划线。背侧激光处理系统100、100’还可以包括用于监视加工的视觉检测系统和用于控制激光110光束传输系统120和/或工件支撑件和台架的控制系统、。
根据本公开的实施例，通过中红外激光传输的热加工方法大体上包括产生中红外激光102，所述中红外激光例如在1700到3000nm的范围内，更具体地在2μm光谱区内。所述热加工方法还包括引导中红外激光102穿过半导体衬底130，使得透射的功率能够改变在衬底130背侧区域132上的目标材料140。用来改变目标材料140所需要的透射功率可以取决于材料特性，例如熔化温度(Tm)和玻璃化转变温度(Tg)。透射功率通常是输入功率与激光透射通过的衬底130的材料和厚度两者的函数。基于衬底130的材料和厚度，本文中描述的系统和方法的实施例可以能够透射输入功率的30％、55％或80％。
根据一个示例，1940nm连续波激光光束由铥光纤激光器(例如上述的高平均功率铥光纤激光器)产生，并透射通过单晶硅(Si)晶片。在该示例中，具有5mm直径的120瓦平均功率CW激光光束将大约55％的输入功率透射穿过1mm厚的单晶硅Si晶片，并且将30％的输入功率透射穿过2mm厚的单晶Si晶片。
根据另一个示例，1940nm连续波激光光束由铥光纤激光器(例如上述的高平均功率铥光纤激光器)产生，并且透射通过单晶砷化镓(GaAs)晶片。在该示例中，由透射穿过0.65mm厚GaAs晶片的不同输入功率产生的透射功率在下方的表格I中示出。如所示，在该示例中，高达80％的输入功率可以透射穿过GaAs晶片。
| 输入功率，W | 透射功率，W |
| 35.8 | 28.5 |
| 47.2 | 30.4 |
| 58.9 | 32.2 |
| 70.1 | 42.5 |
| 82.1 | 54.0 |
表格I
根据其它示例，由铥激光器产生的1940nmCW激光光束透射穿过GaAs晶片，并且扫描以对在GaAs晶片背侧区域的锗(Ge)晶片进行划线。图3示出了显示Ge晶片中产生的划线的图像，所述划线是通过将1940nmCW激光的40W光束聚集来产生的，使用100mmfθ扫描透镜并且以1米/秒的速度扫描位于聚集光束的焦平面的GaAs晶片来实现所述光束的聚集。所述划线是具有相对窄的、大约37μm的切口宽度的非常浅的凹槽。在该示例中，在GaAs晶片背侧区域上产生的能流密度大约是2MW/cm2。
因此，根据本文中描述的实施例，通过中红外激光穿过半导体衬底(例如硅或砷化镓)的透射的热加工，允许在不需要向目标材料的直的视线的情况下进行热加工(例如在半导体设备制造中)。
虽然本文中描述了本发明的原理，本领域技术人员应当理解的是，该描述只是以示例的方式，而并不是对本发明范围的限制。处本文中示出并描述的实施例以外，还可以想到在本发明范围内的其它实施例。本领与普通技术人员的修改和替换被认为是在本发明的范围内，其不受除以下权利要求以外的限制。
Claims (20)
1.一种通过中红外激光透射的热加工方法，所述方法包括：
从稀土掺杂的光纤激光器产生光谱范围是1300到5000nm的激光；以及
引导所述激光穿过半导体衬底，所述半导体衬底对于光谱范围是1300到5000nm的激光是足够透明的，使得透射过半导体衬底的所述激光具有能够改变位于所述半导体衬底背侧区域的目标材料的透射功率。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述激光是连续波CW激光。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括在引导所述激光穿过所述半导体衬底之前，对所述CW激光进行时间调制。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述激光在1700到5000nm的光谱范围内产生。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述激光在2μm的光谱区域中产生。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述稀土掺杂的光纤激光器是铥光纤激光器。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述稀土掺杂的光纤激光器是1940nm铥光纤激光器。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述半导体衬底具有有限的中红外透射范围。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述半导体衬底是砷化镓GaAs衬底。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述透射功率是由所述稀土掺杂的光纤激光器产生的激光输入功率的至少大约50％。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述透射功率是由所述稀土掺杂的光纤激光器产生的激光输入功率的至少大约80％。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述目标材料沉积在所述半导体衬底背侧区域处的半导体衬底上。
13.根据权利要求1所述的方法，其中所述目标材料在所述半导体衬底的背侧区域处与所述半导体衬底间隔开。
14.根据权利要求1所述的方法，其中改变所述材料包括按从以下选择的方式对所述材料进行加热改变：烧蚀、退火和熔化。
15.根据权利要求1所述的方法，其中所述激光在不改变所述半导体衬底材料的情况下改变所述目标材料。
16.根据权利要求1所述的方法，其中所述半导体衬底是砷化镓GaAs衬底，并且其中改变背侧区域上的材料包括烧蚀位于所述GaAs衬底背侧的锗衬底。
17.根据权利要求1所述的方法，其中引导所述激光包括聚集所述激光。
18.根据权利要求1所述的方法，其中引导所述激光包括扫描所述激光以对所述背侧区域的材料进行划线。
19.一种通过中红外激光透射的热加工方法，所述方法包括：
从铥掺杂光纤激光器产生在2μm光谱区域的连续波CW激光；以及
引导所述激光穿过衬底，所述衬底对于2μm光谱区域的所述激光是足够透明的，使得透射过衬底的所述激光具有能够在不改变所述衬底材料的情况下改变位于所述衬底背侧区域的目标材料的透射功率。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述所述透射功率是由所述铥光纤激光器产生的激光输入功率的至少大约50％。
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